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Neue Schaumbatterien versprechen schnelles Aufladen, höhere Kapazität
Trotz Milliardeninvestitionen und der Gründung mehrerer hochkarätiger Start-ups steht der Energiesektor immer noch vor einer grundlegenden und scheinbar unlösbaren Herausforderung: Es ist sehr schwierig, viel Strom kompakt, langlebig und kostengünstig zu speichern . Eine wachsende Zahl von Forschern hofft, dies mit sogenannten dreidimensionalen Batterien zu lösen, die verschiedene Formen annehmen können, aber eher poröse, schwammartige Strukturen haben als die traditionelle 2-D-Form: dünne Metallschichten in einer flüssigen Elektrolytlösung in einer Box (siehe Eine dehnbare, biegsame und leistungsfähigere Smartwatch-Batterie und Batterien: billigste Form von Netzstrom? ).
In den letzten Monaten rief ein Startup an Prieto-Batterie , eine Ausgründung der Colorado State University in Fort Collins, ist es gelungen, das herzustellen, was Gründerin Amy Prieto die erste echte 3-D-Batterie nennt, die geladen und entladen werden kann und die eine Ladung hält – mit anderen Worten, die die Grundanforderungen erfüllt einer herkömmlichen Batterie. 3-D-Batterien könnten billiger herzustellen, schneller aufzuladen, sicherer, kleiner und weniger umweltschädlich sein als herkömmliche Batterien. Darüber hinaus könnten sie, da sie leicht, flexibel und in einer nahezu unbegrenzten Formenvielfalt hergestellt werden können, bisher unvorstellbare Energiespeicheranwendungen bieten.
Die 3-D-Festkörperbatterie von Prieto stellt zwei radikale Abweichungen von den heutigen Batterien dar: woraus sie bestehen und wie sie hergestellt werden. Im Prieto-Labor, direkt unterhalb der Ausläufer der Rocky Mountains, steht eine Reihe von acht flachen, mit Wasser gefüllten Behältern in einem vertieften Tisch. Neben der Linie befindet sich ein Gestell mit Rollen aus Kupferschaum unterschiedlicher Dichte. Der Schaum ist das Ausgangsmaterial für die Batterien, auf die die Anode aus Kupferantimonid (Kupfer mit Antimon gemischt) galvanisiert wird. Der Schaum ist so porös, dass er hauptsächlich aus Luft besteht, aber ein kleines Fragment könnte eine enorme Oberfläche enthalten. Die Vergrößerung der Oberfläche verringert die Entfernung, die die Ionen zurücklegen müssen, wodurch sowohl die Leistung als auch die Energiedichte erhöht werden.
Sobald der Schaum mit der Anode beschichtet ist, wird er mit einem Polymerelektrolyten überzogen, der eine physikalische Barriere bildet, über die sich Ionen (aber keine Elektronen) bewegen können. Abschließend wird die Kathode in Form einer dunklen, tintenartigen Aufschlämmung aufgetragen. Das Endprodukt ist eine Schaumstoffbatterie mit einem Durchmesser von ein paar Zentimetern und der Dicke eines Blattes Papier. Die Prieto-Batterien sind in einem Plastikbeutel versiegelt und können schnell aufgeladen werden, speichern bis zu doppelt so viel Energie pro Volumeneinheit wie herkömmliche Batterien und haben nicht die unglückliche Neigung von Lithium-Ionen-Batterien zur Überhitzung.
Die Idee, poröse Materialien für Batteriekomponenten zu verwenden, ist nicht neu: Viele herkömmliche Blei-Säure-Batterien verwenden beispielsweise Bleischaum in der Anode. Die Idee einer ganzen Batterie mit einer porösen Innenarchitektur entstand aus der Arbeit von Debra Rolison, einer Forschungschemikerin am Naval Research Laboratory, die die Abteilung für fortgeschrittene elektrochemische Materialien des Labors leitet. Rolison begann in den frühen 1990er Jahren mit der Erforschung neuer Katalysatormaterialien für Brennstoffzellen und schlug 1998 eine Batterie vor, die aus Kohlenstoff-Aerogelen besteht – porösen Materialien, in die ein Kathodenmaterial eingefügt werden kann, um eine 3-D-Batterie zu schaffen. Als sie die Idee zum ersten Mal präsentierte, sagt sie, dachten 99 Prozent der Leute, ich sei verrückt geworden. Aber eine Reihe von Forschern verfolgen das Konzept jetzt – einige mit neuartigen Materialien wie z Portabella-Pilze und Zellulose aus Zellstoff .
3-D-Batterietechnologie wie die von Prieto, sagt Max Hamedi, ein Harvard-Forscher, der an elastischen Schaumbatterien aus Zellstoff arbeitet, hat das Potenzial, jede Batterie zu übertreffen, die man in 2-D-Systeme bauen kann. Diese Arbeit explodiert gerade gerade.
Prieto hat von Anfang an nach Einfachheit gesucht und gängige Materialien in einem kostengünstigen Herstellungsprozess verwendet, der leicht skaliert werden kann. Das erste Produkt des Unternehmens ist keine vollständige Batterie, sondern eine Drop-in-Ersatz-Kupferschaumanode, die Graphitanoden in herkömmlichen Batterien ersetzen wird. Im September kündigte Prieto eine Partnerschaft mit Intel an, die es dem Startup ermöglicht, auf die Expertise der Technology Manufacturing Group des Chipherstellers zurückzugreifen. Die ersten Ersatzanoden von Prieto könnten Ende 2016 auf den Markt kommen, sagt der Gründer, und eine komplette Batterie könnte bis 2018 folgen.
Natürlich gibt es auch andere Unternehmen, die Innovationen bei Festkörperbatterien vorantreiben. Sakti3 arbeitet an Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien, die bei gleicher Energiespeicherkapazität nur halb bis ein Drittel so groß sind wie herkömmliche Systeme (siehe A Breakthrough Battery Gets a Big Backer ). Seeo, ein kalifornisches Start-up, das sich auf Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anoden konzentriert, wurde kürzlich von Bosch, einem der größten Zulieferer der Automobilindustrie, übernommen (siehe Eine Prototyp-Batterie könnte die Reichweite von Elektroautos verdoppeln). Keines dieser Unternehmen verwendet eine 3-D-Schaumarchitektur.
Wir sehen das Potenzial für die Technologie von Prieto, zu Innovationen bei Wearables beizutragen, bei denen Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte überzeugende neue Anwendungen ermöglichen könnten, sagt Mark Pontarelli, General Manager des internen Business-Inkubators von Intel. Der Kupferschaum könnte verwendet werden, um Batterien herzustellen, die leere Räume in einem Design präzise ausfüllen und eine längere Batterielebensdauer bieten, ohne die Größe des Produkts zu erhöhen.
Wie Pontarelli andeutet, werden die ersten Anwendungen wahrscheinlich klein sein – beispielsweise in tragbaren Systemen und Unterhaltungselektronik –, aber es gibt keinen ersichtlichen Grund, warum Schaumbatterien nicht in Elektrofahrzeugen und eines Tages in Netzspeichersystemen funktionieren könnten.